MXPA98009618A - Produccion de oxigeno por conductor ionico de electrolito solido con purga de vapor - Google Patents

Abstract

Un proceso para producir una corriente de oxígeno presurizado comprimiendo y calentando una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental, y separando la corriente de gas calentado de alimentación usando un módulo de transporte de iones en una corriente de gas agotado-en-oxígeno en el lado retenido y una corriente de gas que contiene-oxígeno en el lado de permeado. El lado de permeado de la membrana trasnportadora de iones es purgada usando una corriente de gas que contiene vapor para producir una corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor, y la corriente de gas es separada en la corriente de oxígeno presurizado saturado con vapor de agua y una corriente de agua residual.

Description

PRODUCCIÓN DE OXIGFNO POR CONDUCTOR IÓNICO DF Fl FCTROI ITO SOI IDO CON PURGA DF VAPOR CAMPO DF I A INVFNCION La invención se refiere al uso de sistemas de conductor iónico de electrolito sólido en sistemas de separación de gases. En particular, la invención se refiere al empleo de vapor presurizado para purgar el lado de permeado de las membranas conductoras iónicas de electrolito sólido para aumentar la eficiencia del proceso y producir una corriente de gas oxígeno y vapor la cual puede ser fácilmente separada para obtener un producto de oxígeno puro.

ANTFCFDFNTFS DF I A INVFNCION . Los sistemas de separación de oxígeno en masa, no-criogénicos, por ejemplo, sistemas de membranas poliméricas orgánicas, han sido usadas para separar gases seleccionados del aire y otras mezclas de gases. El aire es una mezcla de gases que puede contener cantidades variables de vapor de agua y, al nivel del mar, tiene la siguiente composición aproximada en volumen: oxígeno (20.9%), nitrógeno (78%), argón (0.94%), con el resto consistiendo de trazas de otros gases. Sin embargo, se puede hacer un tipo de membrana enteramente diferente de ciertos óxidos inorgánicos. Estas membranas de electrolito sólido están hechas a partir de óxidos inorgánicos, tipificados por óxidos de circonio estabilizados con calcio o itrio y análogos que tienen una estructura de fluorita o perovskita. Aunque el potencial de estos materiales cerámicos de óxidos como membranas de separación de gases es grande, hay ciertos problemas en su uso.

La dificultad más obvia es que todos los materiales conocidos de cerámicas de óxidos exhiben una apreciable conductividad de iones oxígeno a temperaturas elevadas solamente. Usualmente deben ser operados muy por arriba de 500 "C, generalmente en el rango de 600 "C a 900 "C. Esta limitación ha permanecido a pesar de la gran investigación para encontrar materiales que trabajen bien a temperaturas menores. La tecnología de conductores iónicos de electrolito sólido se describe con más detalle en la Patente de E.U., No. 5,547,494 de Prasad et al., titulada "Membrana de Electrolito en Etapas", la cual se incorpora en la presente por referencia para describir más completamente el estado del arte. Es relativamente fácil usar el proceso de separación por transporte de iones básico para remover casi todo el oxígeno de la corriente de gas de alimentación para producir una corriente de gas producto nitrógeno, particularmente si el lado de permeado de la membrana transportadora de iones puede ser purgado con una corriente libre de oxígeno. Sin embargo, es más difícil recuperar oxígeno eficientemente como el producto usando este proceso básico. Por ejemplo, si se extrae oxígeno puro de la corriente de gas permeado a presión atmosférica, la corriente de gas de alimentación debe estar a una presión muy en exceso de 5 atmósferas con el fin de continuar impulsando oxígeno a través de la membrana transportadora de iones. Así, la mayor parte de la energía de compresión se pierde en la corriente de gas retenido o la corriente de gas nitrógeno a menos que esa corriente de gas represente un producto que es requerido a presión. Otro proceso alterno involucra bombeo de vacío del lado de permeado de la membrana transportadora de iones con el fin de mantener la fuerza impulsora para el proceso de permeación sin contaminar la corriente de gas producto oxígeno. Sin embargo, existe un costo considerable para operar las bombas de vacio. Han sido presentados avances en el estado del arte de separación de aire usando conductores iónicos de electrolito sólido en la literatura técnica. La Patente de E.U., No. 5,306,41 1 (Mazanec et al.) discute mezclar un diluyente inerte tal como vapor con un gas de hidrocarburo ligero de alimentación para producir gas de síntesis o hidrocarburos insaturados como un efluente permeado del lado del ánodo de una membrana transportadora de iones. Un gas que contiene oxígeno se pasa a través de un lado de retenido a de cátodo de la membrana; el gas agotado en oxígeno resultante extraído de la zona de retenido es desechado aparentemente. Mazanec et al., describe además en la Patente de E.U., No. 5,160,713 que puede ser generado vapor en la zona de permeado mediante reacción entre hidrógeno, introducido como un substrato consumidor de oxígeno, y oxígeno transportado a través de la membrana. La Patente de E.U., No. 5,565,017 (Kang et al.) se refiere a un sistema que integra una membrana transportadora de iones con una turbina a gas para recuperar energía de la corriente de gas retenido después que es calentado y se ha agregado vapor. La Patente de E.U., No. 5,562,754 (Kang et al.) establece que el lado de permeado de la membrana transportadora de iones puede ser barrido con vapor. Una corriente de gas que contiene oxígeno es calentada en un quemador a fuego directo, pasada a través de la zona de retenido de la membrana transportadora de iones, y dirigida entonces a una turbina a gas para generar energía. Esta corriente no-permeada es desechada entonces como gas de escape.

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN Es por lo tanto un objetivo de la invención recuperar oxígeno eficientemente sin la necesidad de una corriente de gas de alimentación a alta presión empleando una corriente de purga de vapor para el lado de permeado o ánodo de la membrana transportadora de iones de un módulo separador de transporte de iones y producir opcionalmente nitrógeno en el lado de retenido de la membrana transportadora de iones. Es un objetivo adicional de la invención recuperar oxígeno a una presión elevada sin la necesidad de un compresor de oxígeno proveyendo la corriente de purga de vapor a presión elevada ? condensando el agua de ia corriente resultante de gas permeado a presión elevada. Es otro objetivo de la invención permitir el uso de calor de desperdicio de bajo nivel como una fuente de energía para elevar la temperatura de la corriente de purga de vapor. Es aún otro objetivo de la invención, en casos en donde no hay disponible calor de desperdicio, utilizar el calor de condensación del agua en la corriente de gas permeado como la fuente de energía elevando la presión y por lo tanto la temperatura de condensación de la corriente de gas permeado por arriba moderadamente de aquella de la corriente de purga.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA I NVENCIÓN Esta invención comprende un proceso para producir por lo menos una corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor a partir de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental. En el proceso, la corriente de gas de alimentación es comprimida y la corriente comprimida de gas de alimentación es calentada entonces. La corriente de gas de alimentación calentada es separada usando un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de permeado y un lado de retenido en una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido y una corriente de gas que contiene oxígeno en el lado de permeado, y el lado de permeado de la membrana transportadora de iones es purgado usando una corriente de gas que contiene vapor a una presión preferiblemente de aproximadamente 2.1 1 kg/cm2 abs. a aproximadamente 35.18 kg/cm2 abs., más preferiblemente 2.81 a 17.6 kg/cm2 abs., para producir la corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor. En una modalidad preferida de la invención, la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor es separada en una corriente de gas producto oxígeno saturada con vapor de agua y una corriente de agua residual por condensación del agua. En algunas modalidades preferidas, la separación de la corriente de agua residual incluye condensar por lo menos una porción del agua contenida en la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor durante el intercambio de calor con otra corriente de fluido, y la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor es enfriada hasta cerca de su punto de rocío y comprimida entonces antes de que el vapor en ella se condense, y la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor sufre un intercambio de calor con una corriente de agua y/o vapor de agua, que se convierte en la corriente de gas que contiene vapor. La frase "cerca de su punto de rocío" se refiere preferiblemente a dentro de los 50 "C, y más preferiblemente a dentro de los 30 "C, del punto de rocío del vapor en la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor. La corriente comprimida de gas de alimentación está a una presión entre aproximadamente 1 atm y aproximadamente 5 atm, más preferiblemente entre aproximadamente 1.5 atm y aproximadamente 3 atm. En otra modalidad preferida de la invención, una corriente de agua es calentada usando energía térmica de un proceso externo para generar la corriente de gas que contiene vapor, y la corriente presurizada de gas producto oxígeno es dirigida al proceso externo para usarse en él. Una corriente de gas producto oxígeno es separada de la corriente de gas producto oxígeno saturada con vapor de agua usando un sistema secador de membrana polimérica o un sistema secador oscilante de presión y/o de adsorción oscilante de temperatura. En aun otra modalidad preferida de la invención, la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor sufre un intercambio de calor con una corriente de agua o una corriente de gas de vapor de agua para sobre-calentar la corriente de gas que contiene vapor usada para purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones. En aun otra modalidad preferida de la invención, una corriente de calor de desperdicio de bajo nivel sufre un intercambio de calor con una corriente de agua o una corriente gaseosa de vapor de agua para generar la corriente de gas que contiene vapor usada para purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones. La corriente de gas que contiene vapor usada para purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones es una corriente de gas a alta presión, produciendo con esto la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor a alta presión. La invención destaca también un proceso para producir por lo menos una corriente de gas oxígeno que contiene vapor a partir de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental. La corriente de gas de alimentación se comprime y la corriente de gas de alimentación comprimido es calentada preferiblemente usando un reactor-calentador de transporte de ¡ones. La corriente de gas de alimentación calentado es separada entonces usando un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de permeado y un lado de retenido en una corriente de gas agotado en oxígeno en el lado de retenido y una corriente de gas oxígeno en el lado de permeado, y el lado de permeado de la membrana transportadora de iones es purgado usando una corriente de gas que contiene vapor para producir la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor.

BREVE DFSCR1PC10N DE I OS DIBUJOS Otros objetivos, aspectos y ventajas de la invención se les ocurrirán a aquellos expertos en el arte a partir de la siguiente descripción de modalidades preferidas de la invención y de los dibujos adjuntos, en los cuales: La Fig. 1 es un diagrama esquemático que muestra la generación y uso de acuerdo con la invención de una corriente de purga de vapor en el lado de permeado de una membrana transportadora de iones; y La Fig. 2 es un diagrama esquemático que muestra el aporte de calor requerido por la configuración del proceso siendo provisto por el uso de un reactor-calentador de transporte de iones.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Esta invención puede llevarse a cabo purgando el lado de permeado de la membrana transportadora de iones usando vapor sobre-calentado presurizado. Con un flujo adecuado de vapor, la presión parcial de oxígeno en la corriente de gas permeado puede ser reducida a un valor bajo, permitiendo así que ocurra la penetración del oxígeno cuando la corriente de gas de alimentación está a baja presión, por ejemplo, aun cercana a la presión atmosférica. Enfriando la corriente de gas permeado, el agua en ella puede ser condensada y reciclada, dejando el oxígeno residual para ser recuperado o usado directamente. Esta corriente de gas oxígeno enfriado contendrá algún vapor de agua residual pero, de alguna forma es puro. Puede ser usado directamente como el producto, o puede ser secado después, por ejemplo, en un post-purificador de membrana polimérica o de adsorción por presión oscilante (APO) y/o adsorción por temperatura oscilante (ATO). La corriente de gas producto oxígeno estará a la presión del vapor sobrecalentado, la cual puede ser regulada para estar a un nivel bajo o alto, dependiendo de las necesidades del producto. Si la purga de vapor está a una presión mayor, lo cual es fácil de obtener bombeando la corriente de agua de alimentación, es posible recuperar oxígeno a una presión elevada mediante simple condensación del agua en la corriente de gas permeado. El nitrógeno se obtiene preferiblemente como el producto o sub-producto a un nivel de presión moderado o alto. Debido a que la generación de vapor es intensiva en energía, es importante estructurar el proceso para permitir la utilización del calor de desperdicio de bajo nivel, si está disponible. Alternativamente, se recupera calor del agua condensando en la corriente permeada mediante la elevación de la presión de esa corriente moderadamente, elevándose con esto su temperatura de condensación por arriba de la temperatura de ebullición de la corriente de agua de alimentación. Preferiblemente, la corriente permeada es enfriada a cerca de su punto de rocío y después comprimida antes que el vapor en ella se condense, y la corriente permeada sufre un intercambio de calor con una corriente de agua o una corriente de vapor de agua, la cual se convierte en la corriente de vapor utilizada para purgar el lado de permeado de la membrana.

Como se anotó antes, la membrana transportadora de iones transportará oxígeno cuando exista una diferencia en la presión parcial de oxígeno a través de esa. En comparación con las membranas poliméricas, las membranas transportadoras de iones tienen un flujo mayor y un factor de separación infinito para el oxígeno con respecto al nitrógeno. El tipo de módulo de transporte de iones en la invención es un dispositivo de 4— portillas, operado preferiblemente con un patrón de flujo a contra-corriente, es decir, la corriente de purga entra en el lado de permeado de la membrana transportadora de iones en un flujo contra aquel de la corriente de gas de alimentación. Aunque el proceso mostrado en la Fig. 1 opera con una configuración de flujo a contra-corriente, la invención es aplicable igualmente para otras configuraciones de flujo, por ejemplo, configuraciones de flujo cruzado y concurrente. Una modalidad de la invención es ilustrada por el diagrama esquemático de la Fig. 1. Durante la operación, la corriente 1 de gas de alimentación que contiene oxígeno (generalmente aire) es comprimida en el compresor o ventilador 2 para producir la corriente 41 de gas comprimido. La corriente 41 de gas comprimido es calentada contra la corriente 8 de gas retenido y la corriente opcional 23 de gas en el cambiador de calor 3 para producir la corriente 42 de gas calentado. La corriente 42 de gas calentado es calentada además en el calentador 4 para producir la corriente 5 de gas caliente. Al mismo tiempo, la corriente 32 de agua reciclada y la corriente 34 de agua de recuperación bombeada por la bomba 44, son combinadas para obtener una corriente 36 de agua presurizada. La corriente 36 de agua es calentada en el cambiador de calor 10 contra la corriente 28 de fluido para obtener la corriente 37 de agua caliente. Lo corriente 37 de agua caliente se convierte entonces en la corriente 38 de vapor en el hervidor-condensador 11. La corriente opcional 45 de calor de desperdicio de bajo nivel, tal como el disponible de un proceso de producción de vidrio o acero, puede ser usada también como una fuente de energía para elevar la temperatura de la corriente 37 de agua caliente. La corriente 45, después de ceder su calor, sale como la corriente 46 de desperdicio. La corriente 38 de vapor es calentada entonces a una temperatura mayor en el sobre-calentador 12 para producir la corriente 39 de vapor sobrecalentado, la cual es calentada adicionalmente en el calentador 13 para obtener la corriente 14 de purga de vapor a una presión preferiblemente de por lo menos Cuando la corriente 5 de gas caliente es introducida al módulo 6 de transporte de iones que contiene la membrana 7 transportadora de iones que tiene un lado 7a de retenido y un lado 7b de permeado, la corriente 14 de purga de vapor se usa para purgar el lado 7b de permeado de la membrana 7 transportadora de iones para producir la corriente 8 de gas retenido y la corriente de gas permeado. La presencia del gas de purga reduce la presión parcial de oxígeno en el lado 7b de permeado de la membrana 7 transportadora de iones, y por lo tanto permite un transporte eficiente de oxígeno aun cuando la presión del gas de alimentación del lado 7a de retenido es baja. Debido a que la corriente 14 de purga de vapor presurizado se mezcla con y diluye el oxígeno que ha permeado a través de la membrana 7 transportadora de iones, la corriente 15 permeada presurizada que emerge del módulo 6 de transporte de iones contiene ambos vapor y oxígeno a la misma presión substancialmente que la de la corriente 14. La corriente 15 de gas permeado es enfriada entonces por intercambio de calor, dirigida ya sea como la corriente 22 de gas a través del sobre-calentador 12 para producir la corriente 25 de gas, o dirigida como la corriente opcional 23 de gas a través del cambiador de calor 3 para producir la corriente opcional 24 de gas. La corriente 25 de gas y/o la corriente opcional 24 de gas se convierten en la corriente 26 de gas la cual es comprimida opcionalmente por el compresor 20 para convertirse en la corriente 27 de fluido.

El compresor 20 permite que la corriente 27 de fluido se condense a una temperatura y presión mayores y por lo tanto provee calor para hervir la corriente 37 de agua caliente para hacer la corriente 38 de gas vapor. La corriente 27 se pasa a través de los tubos 16 del hervidor en el hervidor-condensador 11 para convertir la corriente 37 de agua caliente en vapor, como se dijo antes, y entonces sale como corriente 28 de mezcla líquido- gas. La corriente 28 de mezcla líquido-gas es enfriada después en el cambiador de calor 10 contra la corriente 36 de agua, como se dijo antes, para obtener la corriente 29 de mezcla. La corriente 29 de mezcla es enfriada en el enfriador-condensador 17 en donde la mayor parte del vapor de agua residual en la corriente 29 de mezcla se condensa y se obtiene la corriente 30 de oxígeno y agua. La corriente 32 de agua de reciclo es eliminada en el separador 18 y mezclada con la corriente 34 de agua de reposición, como se dijo antes, y la corriente 19 de gas residual es el producto oxígeno. Aunque el enfriador-condensador 17 remueve la mayor parte del vapor de agua residual en la corriente 29 de mezcla, la corriente 19 de gas está saturada con vapor de agua, pero de cualquier forma es oxígeno puro. El vapor de agua residual 52 puede ser rápidamente eliminado de la corriente 19 de gas producto oxígeno usando un secador 50 tal como un sistema de membrana polimérica o de adsorción para producir una corriente 54 de gas producto oxígeno seco substancialmente.

La corriente 19 de gas puede ser secada externamente al sistema por medios convencionales, tal como con un secador de membrana polimérica, un secador de adsorción de presión oscilante (APO) y/o adsorción de temperatura oscilante (ATO). Para un proceso por si solo, sin embargo, puede ser deseable incorporar el compresor 20 para comprimir la corriente 26 de permeado un poco antes de que entre al serpentín 16 del hervidor. Esto permite que la condensación de gran parte del vapor de agua en la corriente 26 de gas ocurra en el hervidor-condensador 1 1 en donde suministra calor para hervir el agua y hacer vapor para la corriente 38 de purga. Esto aumenta grandemente la eficiencia térmica del circuito purga-permeado y reduce la carga del calentador 13 de purga. Preferiblemente, si hay disponible el calor 45 de desperdicio de bajo nivel, el compresor 20 puede ser eliminado y con esto el aparato será simplificado. En este caso, el calor de desperdicio de bajo nivel "libre" puede proveer la energía para hervir y el calor de condensación rechazado al agua de enfriamiento. La Fig. 2 es un diagrama esquemático que muestra cómo el aporte de calor requerido, tal como por el calentador 4, Fig. 1 , en algunas configuraciones de proceso es provisto usando un reactor-calentador de transporte de iones. El aporte de calor requerido en varios puntos de las configuraciones de proceso puede ser provisto usando quemadores tradicionales o de transporte de iones, calentadores a fuego o eléctricos, o reactores-calentadores de transporte de iones. Durante la operación, la corriente 100 de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental se pasa a través de la sección de retenido del módulo 106 de reactor- calentador, sufriendo un intercambio de calor para convertirse en la corriente 1 12 de qas de alimentación caliente. El módulo 106 de reactor- calentador contiene una membrana 110 transportadora de iones que tiene un lado 1 10a de retenido y un lado 110b de permeado. La corriente 1 12 de gas caliente entra al módulo 1 16 de transporte de iones, el cual contiene una membrana 120 transportadora de iones que tiene un lado 120a de retenido y un lado 120b de permeado. El lado 120b de permeado de la membrana 120 transportadora de iones es purgado con la corriente 122 de gas vapor, la cual se puede obtener a una presión deseada de una fuente externa, en un arreglo concurrente con relación a la corriente 1 12 de gas en esta configuración para producir la primera corriente 118 de gas retenido y la corriente 124 de gas permeado la cual contiene oxígeno y vapor. La primera corriente 1 18 de gas retenido entra al módulo 106 de reactor-calentador, y el lado 110b de permeado de la membrana 110 transportadora de iones es purgado con la corriente 126 de gas reactivo para producir la segunda corriente 146 de gas retenido y la corriente 130 de gas permeado, la cual contiene dióxido de carbono y vapor de agua. La corriente 130 de gas permeado es enfriada en el enfriador 136 para hacer la corriente 138 de gas. La corriente 138 de gas se pasa a través del separador 140 para hacer la corriente 142 de gas dióxido de carbono, la cual se recupera como un sub-producto, y la corriente 144 de agua. Si no se pretende recuperar el dióxido de carbono, la corriente 130 de gas permeado pude ser desechada. Una descripción más detallada de una construcción de un reactor-calentador adecuada se describe en la Serie No. 08/848,204 de E.U., presentada en abril 29 de 1997, incorporada en la presente por referencia. Electrolitos conductores- mixtos de óxidos-sólidos son atractivos para la separación de aire en productos oxígeno y nitrógeno (más argón). Es, sin embargo, difícil imaginar procesos prácticos y eficientes, particularmente para el oxígeno. Si el producto oxígeno es extraído de la corriente de permeado a presión atmosférica, la corriente de alimentación debe exceder 5 aLm con el fin de impulsar el oxígeno a través de ia membrana. Conforme el oxígeno es eliminado de la corriente de alta presión, la presión debe ser aun mayor para mantener la fuerza impulsora. Si la corriente de gas retenido (nitrógeno) no se necesita a alta presión como un producto, y no se provee para recuperación de energía, entonces la mayoría de la energía de compresión será perdida y el proceso será ineficiente y no será práctico. Para la producción de nitrógeno solo, en el rango de aproximadamente 90% a una pureza de 100% substancialmente, el proceso de transporte de iones puede ser mejorado purgando el lado de permeado de la barrera con algo del producto o con otra corriente de gas que esté agotada en oxígeno o con un gas reactivo que pueda reaccionar con el oxígeno para reducir la presión parcial de oxígeno en el lado de permeado de la membrana transportadora de ¡ones. Ninguno de estos procedimientos, sin embargo, puede ser usado cuando se recupera oxígeno puro como un producto. El problema es idear procesos prácticos y económicos para producir oxígeno a partir del aire con membranas conductoras mixtas de electrolito de óxidos sólidos, aun cuando se opera a presiones de corrientes de gas de alimentación relativamente bajas. Los electrolitos sólidos han sido previamente usados principalmente en celdas de combustible, sensores y para preparar cantidades pequeñas de oxígeno puro del aire, aprovechando la ventaja de su infinita selectividad para transporte de oxígeno. Membranas de electrolito sólido impulsadas eléctricamente han sido usadas también para remover trazas de oxígeno de gases inertes, aplicando un voltaje suficiente para reducir la actividad del oxígeno en la corriente de gas retenido a un valor muy bajo. Los electrolitos sólidos no han sido empleados aún en la producción directa de cantidades grandes de oxígeno a partir del aire. Para la producción de oxígeno, el proceso más práctico propuesto previamente involucra un ciclo integrado de generación de energía en donde una porción del oxígeno en el aire de alimentación comprimido para una turbina a gas es extraída usando un separador de transporte de iones. La desventaja de este esquema es que involucra la co-producción de energía, y está mejor adecuado para producción de oxígeno a gran escala. Otro proceso propuesto previamente involucra el bombeo de vacío del lado de permeado de la membrana transportadora de iones con el fin de mantener la fuerza impulsora para el proceso de permeación. Las desventajas de este método son que se requieren equipo y procedimientos especiales para manejar el oxígeno puro y los altos costos asociados con equipo grande de bombeo de vacío. Una ventaja clave del proceso de la invención es que proporciona un método económico para producir oxígeno sin la co-producción de energía por medio de tecnología de transporte de iones. Esto permite al proceso ser usado sobre un rango mucho más amplio de tamaños de planta (~100 tons. por día a ~1000 tons. por día), extendiéndose grandemente el alcance de esta tecnología. Además, también permite la co-producción de nitrógeno lo que podría hacer al proceso muy atractivo si se desean ambos, oxígeno y nitrógeno. La presente invención permite la producción de oxígeno a presión relativamente alta, si se necesita, sin la necesidad de comprimir una corriente de oxígeno puro, a diferencia de procesos anteriores del arte. El módulo de transporte de iones de la invención puede ser operado con una diferencial de presión baja y por lo tanto puede ser reducida la energía de compresión a menos que la corriente de gas retenido sea útil a presión alta. Además, puede adecuarse un ventilador de aire de alimentación para los propósitos de la invención, eliminando así la necesidad de un compresor más costoso. La invención evita la necesidad de entubar o manejar oxígeno puro a altas temperaturas; trabajar con oxígeno puro caliente presenta con frecuencia serios riesgos a la seguridad. Por lo tanto, la necesidad de materiales y procedimientos especiales para manejar oxígeno puro a alta temperatura es evitada con la presente invención y el proceso reivindicado deberá alcanzar mayor seguridad que en los procesos típicos convencionales. Los procesos de la invención pueden ser operados sobre una amplia variedad de condiciones para producir corrientes de gas producto oxígeno, nitrógeno, o ambos a bajas presiones o a altas presiones. Los procesos de la invención se pueden impulsar parcialmente por calor de bajo nivel y así pueden ser integrados con otros procesos que producen calor, incluyendo procesos que utilizan el producto oxígeno para producir calor. Cuando se opera a una presión alta de alimentación, la invención se puede integrar con turbinas a gas u otros dispositivos para la producción de energía a partir del producto de alta presión (tal como nitrógeno) o corrientes de desperdicio. Los rangos típicos de parámetros de operación del módulo de transporte de iones son como sigue: Temperatura: Típicamente en el rango de 400 "C a 1000*C, y preferiblemente en el rango de 600" C a 900 'C. Presión: La presión en el lado de purga será típicamente de 1 atm a 10 atm. La presión en el lado de alimentación será típicamente de 1 atm a 30 atm y preferiblemente de 1.25 atm a 20 atm. Relación de purga (relación del régimen de flujo de purga al régimen de flujo de alimentación): Típicamente de 0.05 a 5, y preferiblemente de 0.2 a 3. Conductividad de Iones Oxigeno de la Membrana Transportadora de Iones: Típicamente en el rango de 0.01 - 100 S/cm (1 S = 1/0hm). Espesor de la Membrana Transportadora de Iones: La membrana transportadora de iones puede ser empleada en la forma de una película densa, o una película delgada soportada sobre un substrato poroso. El espesor (t) de la membrana/capa transportadora de iones es típicamente menor que 5000 micrones, preferiblemente t es menor que 1000 micrones, y más preferiblemente es menor que 100 micrones. Configuración: Los elementos de la membrana transportadora de iones pueden ser típicamente tubulares o planares. La Tabla I proporciona ejemplos de materiales transporte de ¡ones adecuados para separación de oxígeno.

Tabla I: Composición de Material , o de la estequiometría) estequiometría ) BaFeo.5Coo.5IO3 SrCe03 IBa2Cu307_ß (O=0<1 , ß de la estequiometría) ; PfaBao.dCoo eoAe (a) Tipo Co-La-Bi: Oxido de cobalto 15-75% en mol Oxido de lantano 13-45% en mol Oxido de bismuto 17-50% en mol (b) Tipo Co-Sr-Ce: Oxido de cobalto 15-40% en mol Oxido de estroncio 40-55% en mol Oxido de cerio 15-40% en mol (c) Tipo Co-Sr-Bi: Oxido de cobalto 10-40% en mol Oxido de estroncio 5-50% en mol Oxido de bismuto 35-70% en mol (d) Tipo Co-La-Ce: Oxido de cobalto 10-40% en mol Oxido de lantano 10-40% en mol Oxido de cerio 30-70% en mol (e) Tipo Co-La-Sr-Bi: Oxido de cobalto 15-70% en mol Oxido de lantano 1 -40% en mol Oxido de estroncio 1 -40% en mol Oxido de bismuto 25-50% en mol (f) Tipo Co-La-Sr-Ce : Oxido de cobalto 10-40% en mol Oxido de lantano 1 -35% en mol Oxido de estroncio 1 -35% en mol Oxido de cerio 0-70% en mol B¡2-.x-y 'xMy?3_e (0<x<1 , 0=y<1 , ó de la estequiometría) en donde: M'= Er, I, Tm, Ib, Tb, Lu, Nd, Sm, Dy, Sr, Hf, Th, Ta, Nb, Pb, Sn, In, Ca, Sr, La, y sus mezclas. M = MnFe, Co, Ni, Cu y sus mezclas.

BaCe,_xGdx?3_x/-2 en donde: x = de cero a aproximadamente 1.

Uno de los materiales de la familia AsNtBuB'vB"wOx cuya composición está descrita en la Patente de E.U., No. 5,306,411 , (Mazanec et al.) como sigue: A representa un lantánido o I, o una de sus mezclas; A' representa un metal alcalino terreo o una de sus mezclas; B representa Fe; B' representa Co o Ti, o una de sus mezclas; B" representa Mn, Co, V, Ni o Cu, o una de sus mezclas; y s, t, u, v, w, y x son números tales que: s/t = de aproximadamente 0.01 a aproximadamente 100; u = de aproximadamente 0.01 a aproximadamente 1 ; v = de cero a aproximadamente 1 ; w = de cero a aproximadamente 1 ; x = a un número que satisface las valencias de A, k B, B', B" en la fórmula; y 0.9<(s-Ft)/(u+v+w)<1.1 Uno de los materiales de la familia La1_?SrxCu,_yMy03_a en donde: M representa Fe o Co; x = de cero a aproximadamente 1 ; y = de cero a aproximadamente 1 ; d = a un número que satisface las valencias de La, Sr, Cu, y M en la fórmula.

Uno de los materiales de la familia en donde: A representa un lantánido, Ru, o I; o una de sus mezclas; x = de cero a aproximadamente 1 ; ó = a un número que satisface las valencias de Ce y A en la fórmula. 12. Uno de los materiales de la familia Sr,_xBixFe?3_a, en donde: x = de cero a aproximadamente 1 ; ó = a un número que satisface las valencias de Sr, Bi y Fe en la fórmula. 13. Uno de los materiales de la familia SrxFeyCoz0w, en donde: x = de cero a aproximadamente 1 ; y = de cero a aproximadamente 1 ; z = de cero a aproximadamente 1 ; w = a un número que satisface las valencias de Sr, Fe y Co en la fórmula. 14.

Ejemplos Algunos de los aspectos de la invención son ilustrados por los siguientes ejemplos. Los cálculos han sido hechos para la producción supuesta de 5,675 m3/h normales de oxígeno. El proceso usado en estos ejemplos es el mismo al mostrado en la Fig. 1 con la excepción de que no están presentes las corrientes colaterales opcionales. Para estos ejemplos, las propiedades de la membrana transportadora de iones que han sido tomadas son: Espesor de membrana efectivo 20 µm Conductividad de iones oxígeno 0.5 S/cm Temperatura de operación (isotérmica) 800-C Porosidad del substrato 40% Han sido usados modelos computacionales para determinar las condiciones de operación del proceso mostrado en la Fig. 1 , el área de membrana requerido, y la potencia y la energía térmica requeridas para impulsar el proceso. Ejemplo 1 : Para la producción de 5,675 m3/h normales de oxígeno a baja presión. Los resultados de los cálculos están sumarizados en las tablas siguientes a la discusión. Las condiciones de operación se muestran en la Tabla II -A y los requerimientos dei sistema calculados se dan en la Tabla ll-B. En el ejemplo 1 , la presión de la corriente de gas de alimentación es baja (1.4 kg/cm2 abs) y por lo tanto la energía del ventilador de alimentación no es alevada. Solamente una fracción del oxígeno en la corriente de gas de alimentación es recuperada como producto, pero esto es menos crítico para la eficiencia del proceso global puesto que la energía de compresión desperdiciada no es muy grande. No se han hecho intentos para optimizar las condiciones de operación del ejemplo 1 y se intenta solamente que sean ilustrativas del proceso básico. Debe notarse que la corriente de gas de purga está a presión baja (1.05 kg/cm2 abs) permitiendo el uso de un hervidor- condensador de baja presión, no caro. Además, se usa un ventilador para la corriente permeada para elevar ia presión de la corriente de gas permeado a 1.4 kg/cm2 abs., lo cual permite que una porción de vapor se condense contra el agua hirviendo. La corriente producto de gas oxígeno se recupera a 1.4 kg/cm2 abs. La presión del agua reciclada cae de 1.4 kg/cm2 abs a 1.05 kg/cm2 abs., antes de mezclarse con la corriente de agua de reposición. La energía de compresión del ejemplo 1 parece estar dividida casi igualmente entre el ventilador de la corriente de gas de alimentación y el ventilador de la corriente permeada. Si está disponible calor de bajo nivel desde una fuente externa, el ventilador de la corriente de gas permeado puede ser omitido y el requerimiento de energía de compresión puede ser reducido en 47% para el ejemplo 1.

Tabla ll-A Corriente de Gas Presión Temp. Flujo Composición (kg/cm2ab) ("Cj (m3/h norm) (% en mol) (miles) 02 N2 H20 Corriente 1 de Gas 1.03 25 79.73 21 79 0 de Alimentación Corriente 5 de Gas 1.4 800 79.73 21 79 0 Corriente 8 de Gas 1.4 800 74.05 15 85 0 Retenido Corriente 14 de 1.05 800 40.00 0.1 0 99.9 Purga de Vapor Corriente 15 de Gas 1.05 800 45.68 12.5 0 87.5 Permeado Corriente 19 Producto 1.4 52.5 5.67 99.5 0 0.5 de Gas Oxígeno Tabla 11— B Área de la Membrana 7 Transportadora de Iones (m2) 851 Enerqía del Ventilador 2 de Alimentación (kW) 966 Enerqía del Ventilador 20 de Permeado (kW) 850 Enerqía Total (kW) 1 ,816 Calentador 4 de Alimentación (kcal/hr, millones) 2.5 Calentador 13 de Purqa (kcal/hr, millones) 0.277 Calor Total (kcal/hr, millones) 2.772 Enfriamiento del Condensador- Enfriador 17 2.369 (kcal/h, millones) Ejemplo 2: Para la producción de 5,675 m3/h normales de oxígeno a presión intermedia y 23,265 m3/h normales de nitrógeno de 98% de pureza, de alta presión. El ejemplo 2 considera la producción de ambos productos, oxígeno y nitrógeno. Las condiciones de operación son mostradas en la Tabla lll-A y los requerimientos del sistema calculados se dan en la Tabla lll-B. En el ejemplo 2, el requerimiento de energía es mayor que el mostrado en el ejemplo 1 , puesto que ambos productos son entregados a una presión elevada, y el requerimiento de calor es bajo. La energía del ventilador de permeado, sin embargo, es relativamente baja porque la relación de presión a través del compresor es substancialmente menor que la del ejemplo 1. La integración térmica podría reducir la energía de compresión en 13%, así como eliminar la necesidad del ventilador de permeado. Como con el ejemplo 1 , no se han hecho intentos para optimizar las condiciones de operación. En el ejemplo 2, un compresor 20 de la corriente permeada es uasdo para elevar la presión de la corriente 26 de permeado a 3.87 kg/cm2 abs., lo que permite que una porción del vapor se condense contra agua hirviendo. La corriente 19 producto de gas oxígeno se recupera a 3.87 kg/cm2 abs. La presión de la corriente 32 de agua reciclada cae desde 3.87 kg/cm2 abs., hasta 3.16 kg/cm2 abs., antes de ser mezclada con la corriente 34 de agua de reposición. Las condiciones tabuladas de operación del ejemplo 2 corresponden a la condición estable que prevalecerían cuando el proceso está firme y en curso. Para un proceso práctico, se debe dar importancia al arranque del proceso, pues es probable que haya contacto indeseable de la membrana 7 transportadora de iones con agua líquida. Mientras se alcanza el calentamiento de arranque del módulo 6 de transporte de iones a su temperatura de operación en condición estable, algo de la corriente 8 de gas retenido puede ser usada como la corriente de gas de purga, en lugar del vapor que no está disponible en este momento. El circuito purga- permeado puede ser cerrado desviando la salida del calentador 13 de purga directamente hacia la corriente 15 de gas permeado y la parte superior del sobre-calentador 12. Después que la presión y temperatura del vapor han alcanzado niveles de operación apropiados, los flujos pueden ser cambiados a los correspondientes a los de la Fig. 1. El enfriamiento puede ser llevado a cabo invirtiendo esta secuencia, mientras se apagan los calentadores 4 y 13.

Tabla lli— A Corriente de Gas Presión Temp. Flujo Composición (kg/cm2 abs) (-0 (m3/h N.) (% en mol) H2 02 H20 Corriente 1 de Gas 1.03 25 28,940 21 79 0 de Alimentación Corriente 5 de Gas 5.28 800 28,940 21 79 0 Corriente 8 de Gas 5.28 800 23,265 2 98 0 Retenido Corriente 14 de Gas 3.16 800 43,410 0.1 0 99.9 Purga de Vapor Corriente 15 de Gas 3.16 800 49,085 1 1.5 0 88.5 Permeado Corriente 19 de Gas 3.87 30.5 5,675 . 99.5 0 0.5 Tabla lll-B Es importante notar que en la configuración presente, la presencia de vapor es crucial para la separación en el módulo de transporte de iones. Subsecuentemente, el vapor puede ser separado fácilmente del oxígeno por simple condensación. Por conveniencia, se discute aquí un gas de purga, vapor, fácilmente separable. Claramente, las ideas son aplicables a otros ciclos con base vapor en donde el vapor puede ser separado fácilmente (por ejemplo, por condensación) del oxígeno. Como se dijo previamente, bombear vacío al lado de la purga del módulo de transporte de iones es una alternativa para usar una purga de vapor. Sin embargo, es indeseable, puesto que el bombeo de vacío requiere equipo especial y particularmente en aquellas circunstancias en las que oxígeno puro a alta temperatura tendría que ser bombeado a vacío, lo cual es potencialmente peligroso. Aun si un enfriador es colocado antes de la bomba de vacío, la caida de presión a través del enfriador podría ser un obstáculo mayor para bombear vacío al lado de purga. Para las presiones de alimentación y purga escogidas en los ejemplos 1 y 2, las separaciones dadas no ocurrirán en el sistema presente a menos que se use una purga de vapor. Si se extrae oxígeno puro en el lado de la purga de la membrana transportadora de iones, el módulo de transporte de iones se verá "en apuros" y no tendrá lugar el transporte de oxígeno requerido. Por ejemplo, si se extrae oxígeno puro a 1.05 k/cm2 abs., la presión mínima en el lado de la alimentación tendrá que ser aproximadamente de 5.28 k/cm2 abs. Si se extrae oxígeno puro a 3.16 k/cm2 abs., la presión de alimentación mínima y práctica será de 15.83 k/cm2 abs. Para aplicaciones prácticas, las presiones de alimentación tendrán que ser aun mayores. Esta situación es claramente indeseable, particularmente si el nitrógeno no es un producto, ya que la mayor parte de la energía gastada en comprimir la corriente de alimentación se perderá en la corriente de desperdicio rica-en-nitrógeno. Aunque se prefieren los módulos de transporte de iones impulsados a presión por la simplicidad de su diseño, las ¡deas aquí descritas son aplicables a sistemas que utilizan un módulo de separación de oxígeno ya sea impulsado eléctricamente o impulsado a presión que emplean membranas transportadoras de iones oxígeno. Además, los procesos de la invención pueden ser integrados con otros procesos que producen calor de bajo-nivel para reducir la energía requerida. Si hay disponible calor de desperdicio de bajo- nivel de una fuente extema, este calor puede ser usado para disminuir los costos de capital y operación de los procesos de la invención. Este calor sería inyectado al hervidor-condensador 11 , que suministra todo o parte de la energía para hacer el vapor. El ventilador 20, y sus costos asociados, pueden ser entonces eliminados. Como se muestra en la Fig. 1 , una parte de la corriente permeada puede ser conducida a través del cambiador de calor 3 para compensar el flujo de masa desbalanceado entre las corrientes de alimentación y desperdicio. Esta modificación incrementaría la eficiencia del cambiador de calor y reduciría la demanda de energía del calentador 4. El producto de la invención como se describió es típicamente oxígeno de baja presión, con o sin nitrógeno como sub-producto. También es posible obtener oxígeno a presión mayor. Todo lo que se necesita es operar el circuito purga - permeado a una presión elevada incrementando la presión del vapor del hervidor Después de la condensación y separación del agua líquida, la corriente de oxígeno producto estará también a mayor presión. Por estos medios, el oxígeno producto puede ser obtenido a cualquier nivel de presión razonable que se deseé. Es aparente de los ejemplos dados antes que el proceso de la invención es adaptable a una amplia variedad de condiciones de operación. Una o ambas corrientes de gases producto pueden ser producidas a presión baja o alta. Las variables de operación, tales como la presión de purga y relación de flujo, pueden ser cambiadas para acomodar las necesidades cambiantes del producto. Será posible hacer rápidamente estos cambios y por lo tanto seguir dinámicamente las necesidades del producto. Si se va a producir nitrógeno de alta pureza (mayor de 99%, más preferiblemente mayor de 99.9%), puede no ser práctico llevar a cabo la separación usando un una etapa del módulo de transporte de iones y puede tener que usarse una post- purificación. Por ejemplo, se pueden producir oxígeno y nitrógeno de baja pureza en la etapa de transporte de iones y puede emplearse un post— purificador para purificar el retenido rico-en-nitrógeno de la etapa del módulo de transporte de iones. El post-purificador podría estar basado en cualquiera de las varias tecnologías existentes: membranas poliméricas, sistemas adsorbentes (por ejemplo, PSA o TSA), un sistema deoxo tradicional (por ejemplo, uno que empleé un deoxo con base-H2), o aun otro módulo de transporte de iones. Si se emplea una segunda etapa de módulo de transporte de ¡ones para post- purificación, se puede usar un gas de purga reactivo, por ejemplo, metano, para purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones tal como se describe en la No. de Serie 08/567,699 de E.U., presentada el 5 de diciembre de 1995, la cual se incorpora a la presente por referencia, y que corresponde a EP Publ. No. 778 069. Tal gas reactivo de purga reduce grandemente la presión parcial de oxígeno en el lado de la purga de la membrana transportadora de iones, efectuándose por eso un transporte de oxígeno incrementado y reguiriéndose un área de membrana transportadora de iones mucho más pequeña que si fuera usado un gas no-reactivo de purga. Un gas reactivo de purga puede proveer también todo o parte del aporte de calor necesario purga mantener una temperatura alta de operación en la etapa de módulo de transporte de iones, y puede además proveer calor a la corriente de alimentación tal como se muestra en la Fig. 2. También es posible, aunque menos deseable, usar un esquema de purga de producto en la segunda etapa de módulo de transporte de iones, por donde es reciclada una parte de la corriente de gas retenido de nitrógeno de alta pureza para barrer el lado- ánodo del módulo de transporte de ¡ones tal como se describe en la No. de Serie 08/81 1 ,671 de E.U., presentada ei 5 de marzo de 1997, la cual es una continuación de la No. de Serie 08/444,354 de E.U., las cuales son incorporadas a la presente por referencia y corresponde a EP Publ. No. 743 088. El requerimiento de área de menbrana transportadora de iones en el sistema de purga de producto es mucho mayor que aquella en un sistema de purga reactivamente. Como se usa aquí, el término "oxígeno elemental" significa cualquier oxígeno que está sin combinar con cualquier otro elemento de la Tabla Periódica. Aunque el oxígeno se encuentra típicamente en forma diatómica, el oxígeno elemental incluye átomos sencillos de oxígeno, ozono triatómico, y otras forme? s¡n combinar con otros elementos. Aspectos específicos de la invención se muestran en uno o más c los dibujos solamente para conveniencia, ya que cada aspecto puede ser combinado con otros aspectos de acuerdo con la invención. Además, se pueden hacer varios cambios y modificaciones a los ejemplos dados sin apartarse del espíritu de la invención. Modalidades alternas serán reconocidas por aquellos expertos en el arte y se pretende que estén incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (10)

RFIVINDICACIQNFS

1. Un proceso para producir una corriente de gas producto nitrógeno y una corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor a partir de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental y nitrógeno, el proceso comprendiendo: (a) comprimir la corriente de gas de alimentación; (b) calentar la corriente de gas comprimido de alimentación; (c) separar la corriente de gas calentado de alimentación usando un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de permeado y un lado de retenido en la corriente de gas producto nitrógeno en el lado de retenido y una corriente de gas que contiene oxígeno en el lado de permeado, incluyendo purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones usando una corriente de gas que contiene vapor para producir la corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor; y (d) separar la corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor en una corriente de gas presurizado de producto oxígeno saturado con vapor de agua y una corriente de agua residual.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la separación de la corriente de agua residual incluye condensar por lo menos una porción del vapor de agua contenido en la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor durante el intercambio de calor con otra corriente de fluido.

3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor sufre un intercambio de calor con una corriente de agua o una corriente de vapor de agua, que se convierte en la corriente de gas que contiene vapor usada para purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones.

4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la corriente de gas que contiene oxigeno y vapor es enfriada hasta cerca de su punto de rocío y comprimida entonces antes que el vapor en ella se condense, y la corriente de gas que contiene oxígeno y vapor sufre un intercambio de calor con una corriente de agua o una corriente de vapor de agua, la cual se convierte en la corriente de gas que contiene vapor.

5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la corriente de gas que contiene vapor usada para purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones está a una presión de aproximadamente 2.1 1 kg/cm2 abs. a aproximadamente 35.18 kg/cm2 abs.

6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde una corriente de gas producto oxígeno es separada de la corriente de gas producto oxígeno saturado con vapor de agua usando un sistema secador de membrana polimérica, un sistema secador de adsorción de temperatura oscilante, o un sistema secador de adsorción de presión oscilante.

7. Un proceso para producir por lo menos una corriente de gas de oxígeno presurizado que contiene vapor a partir de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental, el proceso comprendiendo: (a) comprimir la corriente de gas de alimentación; (b) calentar la corriente de gas comprimido de alimentación usando un reactor-calentador de transporte de iones; (c) separar la corriente de gas calentado de alimentación usando un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de permeado y un lado de retenido en una corriente de gas agotado-en-oxígeno en el lado de retenido y una corriente de gas oxígeno en el lado de permeado, incluyendo purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones usando una corriente de gas que contiene vapor a una presión de por lo menos 2.1 1 kg/cm2 abs., para producir la corriente de gas oxígeno presurizado; y (d) separar la corriente de gas oxígeno presurizado en una corriente de gas producto oxígeno a alta presión saturado con vapor de agua y una corriente de agua residual.

8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 7, en donde la corriente de gas agotado-en-oxígeno en el lado de retenido es recuperado como una corriente de gas nitrógeno sub-producto.

9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 7, en donde una corriente de calor de desperdicio de bajo nivel sufre un intercambio de calor con una corriente de agua o una corriente de vapor de agua para generar la corriente de gas que contiene vapor usada para purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones.

10. Un proceso para producir una corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor a partir de una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental, el proceso comprendiendo: (a) comprimir la corriente de gas de alimentación; (b) calentar la corriente de gas comprimido de alimentación; (c) calentar una corriente de agua usando energía térmica de un proceso externo para generar una corriente de gas que contiene vapor; (d) separar la corriente de gas calentado de alimentación usando un módulo de transporte de iones que incluye una membrana transportadora de iones que tiene un lado de permeado y un lado de retenido en una corriente de gas agotado-en-oxígeno en el lado de retenido y una corriente de gas que contiene-oxígeno en el lado de permeado, incluyendo purgar el lado de permeado de la membrana transportadora de iones usando la corriente de gas que contiene vapor para producir la corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor; y (e) separar la corriente de gas presurizado que contiene oxígeno y vapor en una corriente de gas producto de oxígeno presurizado saturado con vapor de agua y una corriente de agua residual. 1 1. El proceso de acuerdo con la reivindicación 10, que incluye además dirigir la corriente de gas producto de oxígeno presurizado al proceso externo para su uso en él.